ES2212739B1 - ANALYZING SYSTEM FOR THE DETECTION OF REDUCING AND OXIDIZING GASES IN A CARRIER GAS AND GAS SENSOR BASED ON METAL OXIDES OF SEMI-CONDUCTOR TYPE. - Google Patents

ANALYZING SYSTEM FOR THE DETECTION OF REDUCING AND OXIDIZING GASES IN A CARRIER GAS AND GAS SENSOR BASED ON METAL OXIDES OF SEMI-CONDUCTOR TYPE.

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Abstract

Sistema analizador para la detección de gases reductores y oxidantes en un gas portador y sensor de gases basado en óxidos metálicos de tipo semiconductor. Sistema analizador para la detección de gases reductores y oxidantes en un gas portador, que se caracteriza por el hecho de que los medios de detección son sensores basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor que trabajan en ausencia de oxígeno y por el hecho de que dicho sistema comprende medios de conexión a una cámara que contiene dichos sensores, y además, por el hecho de que los medios de procesado y control comprenden un sistema de reconocimiento de dichos gases en tiempo real, que proporciona un diagrama en el que se sitúan e identifican las medidas efectuadas en dicho gas portador. Permite el análisis del gas en tiempo real.Analyzer system for the detection of reducing and oxidizing gases in a carrier gas and gas sensor based on semiconductor type metal oxides. Analyzer system for the detection of reducing and oxidizing gases in a carrier gas, which is characterized by the fact that the detection means are sensors based on semiconductor metal oxides that work in the absence of oxygen and by the fact that said system it comprises means for connecting to a chamber containing said sensors, and also, due to the fact that the processing and control means comprise a system for recognizing said gases in real time, which provides a diagram in which the sensors are located and identified. measurements made on said carrier gas. Allows gas analysis in real time.

Description

Sistema analizador para la detección de gases reductores y oxidantes en un gas portador y sensor de gases basado en óxidos metálicos de tipo semiconductor.Gas detection analyzer system reducers and oxidants in a carrier gas and gas based sensor in metal oxides of semiconductor type.

La presente invención se refiere a un sistema analizador para la detección de gases reductores y oxidantes y el control en tiempo real de la calidad del flujo de un gas portador. También se refiere a la utilización, en ausencia de oxígeno, de los sensores de gases basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor.The present invention relates to a system analyzer for the detection of reducing and oxidizing gases and the real-time control of the flow quality of a carrier gas. It also refers to the use, in the absence of oxygen, of the gas sensors based on metal oxides of type semiconductor.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

La técnica más habitual para la evaluación de la calidad de un gas portador, como por ejemplo el dióxido de carbono, comprende el uso de equipos de cromatografía específicos, que incluyen diferentes tipos de detectores para asegurar la sensibilidad y selectividad del análisis de los contaminantes habituales presentes en el dióxido de carbono. Estos equipos, además de ser caros, presentan el inconveniente de que no permiten una monitorización continua del flujo de gas que se está usando en la producción. Únicamente realizan análisis de muestras puntuales. Esta técnica se utiliza habitualmente en los centros de producción para poder evaluar la calidad de dióxido obtenido, pero al tratarse de equipos costosos, difícilmente pueden instalarse en cualquier planta consumidora de dióxido de carbono, como por ejemplo una embotelladora de bebidas carbónicas. Una alternativa es la toma de muestras puntuales que pueden ser enviadas al laboratorio correspondiente para su análisis. Sin embargo, este sistema tampoco permite una monitorización continua del flujo del gas, además de tener unos costes nada despreciables.The most common technique for the evaluation of quality of a carrier gas, such as carbon dioxide, includes the use of specific chromatography equipment, which they include different types of detectors to ensure the Sensitivity and selectivity of pollutant analysis usual present in carbon dioxide. These teams, in addition if they are expensive, they have the disadvantage that they do not allow continuous monitoring of the gas flow that is being used in the production. They only perform analysis of specific samples. This technique is commonly used in production centers to be able to evaluate the quality of dioxide obtained, but as it is expensive equipment, can hardly be installed in any plant carbon dioxide consumer, such as a bottling of carbonated beverages. An alternative is the taking of specific samples that can be sent to the laboratory corresponding for analysis. However, this system also allows continuous monitoring of gas flow, in addition to have not negligible costs.

Son conocidos en el mercado sistemas analizadores para el análisis de la calidad del dióxido de carbono, que comprenden diferentes equipos especializados como;Analyzer systems are known in the market for the analysis of the quality of carbon dioxide, which They comprise different specialized equipment such as;

\sqbullet\ sqbullet
analizadores de compuestos sulfurosos, generalmente basados en sistemas de piro luminiscencia,compound analyzers sulphurous, usually based on piro systems luminescence,

\sqbullet\ sqbullet
analizadores de hidrocarburos aromáticos, basados en sistemas PID (Photo Ionizatión Detector) con lámpara de rayos ultravioletas,hydrocarbon analyzers aromatic, based on PID systems (Photo Ionizatión Detector) with ultraviolet ray lamp,

\sqbullet\ sqbullet
analizadores de hidrocarburos totales, basados en sistemas FID (Flame Ionization Detector).hydrocarbon analyzers Total, based on FID systems (Flame Ionization Detector).

Estos sistemas analizadores presentan el inconveniente de que son caros para ser instalados en las plantas consumidoras de dióxido de carbono, y de que además, tampoco permiten realizar un análisis en tiempo real de un flujo continuo de dióxido de carbono.These analyzer systems present the inconvenient that they are expensive to be installed in plants carbon dioxide consumers, and also that neither allow real-time analysis of a continuous flow of carbon dioxide.

No existe en el mercado ningún sistema de bajo coste que sea capaz de realizar un análisis, aunque sea parcial, de la calidad del dióxido de carbono en tiempo real.There is no low system on the market cost that is able to perform an analysis, even partial, of Carbon dioxide quality in real time.

Ninguna de las técnicas habituales empleadas para evaluar la calidad del dióxido de carbono se basa en la utilización de sensores basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor.None of the usual techniques used to assess the quality of carbon dioxide is based on utilization of sensors based on semiconductor metal oxides.

Son conocidos los sensores de gases basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor para la detección de gases, tales como los gases tóxicos en la atmósfera. Se trata de sensores simples, de bajo coste y resistentes.Gas sensors based on semiconductor type metal oxides for gas detection, such as toxic gases in the atmosphere. It's about sensors Simple, low cost and resistant.

Los sensores basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor, han sido desarrollados para la detección de gases reductores y oxidantes en presencia de aire puro y por lo tanto, en presencia de oxígeno.Sensors based on metal oxides of type semiconductor, have been developed for gas detection reducers and oxidizers in the presence of pure air and therefore in presence of oxygen.

Es conocido que en presencia de aire puro, el material activo u óxido metálico semiconductor (tipo n), calentado a una temperatura entre 300ºC y 500ºC, adsorbe oxígeno atmosférico hasta llegar a una situación de equilibrio. El proceso de adsorción de un átomo de oxígeno implica la captura de un electrón desde la banda de conducción del óxido metálico. Por lo tanto, cuando un sensor se encuentra en presencia de aire puro y en equilibrio, presenta una resistencia eléctrica elevada, también denominada resistencia base.It is known that in the presence of pure air, the active material or semiconductor metal oxide (type n), heated to a temperature between 300ºC and 500ºC, adsorbs atmospheric oxygen until you reach an equilibrium situation. Adsorption process of an oxygen atom involves the capture of an electron from the metal oxide conduction band. Therefore, when a sensor is in the presence of pure air and in balance, It has a high electrical resistance, also called base resistance

Es conocido que si el sensor se expone a la presencia de un gas reductor, éste reaccionará con el oxígeno adsorbido, estableciéndose una nueva situación de equilibrio. En este caso la concentración de átomos de oxígeno adsorbidos será inferior a la que existía en presencia de aire puro y esto se traducirá en un mayor número de electrones en la banda de conducción. El resultado es una disminución muy apreciable de la resistencia del sensor. Este efecto es reversible puesto que el sensor puede recuperar su resistencia base, si se expone de nuevo a la presencia de aire puro.It is known that if the sensor is exposed to the presence of a reducing gas, it will react with oxygen adsorbed, establishing a new equilibrium situation. In in this case the concentration of adsorbed oxygen atoms will be inferior to the one that existed in the presence of pure air and this will result in a greater number of electrons in the band of driving. The result is a very significant decrease in the sensor resistance This effect is reversible since the sensor can recover its base resistance, if exposed again to The presence of pure air.

En presencia de un gas oxidante, se produce una competición por los lugares de adsorción entre dicho gas y el oxígeno. Esto se traduce en una situación de equilibrio nueva en la que la resistencia del sensor aumenta. Este efecto vuelve a ser reversible.In the presence of an oxidizing gas, a competition for adsorption sites between said gas and the oxygen. This translates into a situation of new equilibrium in the that the resistance of the sensor increases. This effect is again reversible.

Es conocido que el principio de funcionamiento del tipo de sensores descrito se resume en el hecho de que la conductancia de estos dispositivos cambia progresivamente con los cambios que se producen en la composición de la atmósfera.It is known that the principle of operation of the type of sensors described is summarized in the fact that the conductance of these devices changes progressively with the changes that occur in the composition of the atmosphere.

No son conocidos sensores basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor que permitan la detección de gases reductores y oxidantes, en ausencia completa de oxígeno, en una atmósfera o corriente de gas portador.Oxide based sensors are not known. semiconductor type metal that allow gas detection reducers and oxidants, in complete absence of oxygen, in a atmosphere or stream of carrier gas.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

El objetivo de la presente invención es resolver los inconvenientes mencionados, desarrollando un sistema analizador para la detección de gases reductores y oxidantes en un gas portador, que evalúa la calidad del gas portador en tiempo real, utilizando sensores de gases basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor que trabajan en ausencia de oxígeno.The objective of the present invention is to solve the mentioned disadvantages, developing an analyzer system for the detection of reducing and oxidizing gases in a gas carrier, which evaluates the quality of carrier gas in real time, using gas sensors based on metal oxides of type semiconductor working in the absence of oxygen.

De acuerdo con este objetivo, el sistema analizador de la presente invención comprende una pluralidad de medios de detección, medios de calibración y medios de procesado y control de la adquisición y reconocimiento de datos, y se caracteriza por el hecho de que dichos medios de detección de gases son sensores basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor que trabajan en ausencia de oxígeno, por el hecho de que dicho sistema comprende medios de conexión de dicho gas portador a una cámara de medida que contiene dichos sensores, y además, por el hecho de que dichos medios de procesado y control comprenden un sistema de reconocimiento de dichos gases en tiempo real, que proporciona un diagrama con zonas de decisión delimitadas, en el que se sitúan e identifican las medidas efectuadas en dicho gas portador.In accordance with this objective, the system analyzer of the present invention comprises a plurality of detection means, calibration means and processing means and control of the acquisition and recognition of data, and characterized by the fact that said gas detection means they are sensors based on semiconductor metal oxides that they work in the absence of oxygen, due to the fact that said system comprises means for connecting said carrier gas to a chamber of measure that contains these sensors, and also because of the fact that said processing and control means comprise a system of recognition of these gases in real time, which provides a diagram with delimited decision zones, in which e identify the measurements made on said carrier gas.

Gracias a sus características, el sistema analizador permite realizar un análisis de la calidad de un gas portador, como por ejemplo el dióxido de carbono, en tiempo real. Se trata de un equipo de bajo coste que es aplicable en plantas consumidoras de gases, como por ejemplo el dióxido de carbono, en plantas embotelladoras de bebidas carbónicas.Thanks to its features, the system analyzer allows an analysis of the quality of a gas carrier, such as carbon dioxide, in real time. Be It is a low cost equipment that is applicable in plants gas consumers, such as carbon dioxide, in carbonated beverage bottling plants.

De acuerdo con la invención, el sistema se caracteriza por el hecho de que dichos medios de calibración comprenden una pluralidad de patrones o gases calibrados, por lo menos igual al número de gases reductores y oxidantes que deben ser detectados en el gas portador, y por el hecho de que la respuesta de la pluralidad de sensores a las medidas de dichos patrones comprende la obtención de un vector de variación de conductancia para cada gas calibrado o patrón.According to the invention, the system is characterized by the fact that said calibration means they comprise a plurality of calibrated standards or gases, so less equal to the number of reducing and oxidizing gases that must be detected in the carrier gas, and by the fact that the response of the plurality of sensors to the measurements of said patterns comprises obtaining a vector of conductance variation for each gas Calibrated or pattern.

De acuerdo con la invención, dicho sistema de reconocimiento comprende la obtención de una matriz de aprendizaje resultante de agrupar los vectores de variación de conductancia de las medidas efectuadas con la pluralidad de patrones o gases calibrados.According to the invention, said system of recognition includes obtaining a learning matrix resulting from grouping the conductance variation vectors of the measurements made with the plurality of patterns or gases calibrated

De acuerdo con el objetivo de la presente invención, dicho sistema de reconocimiento identifica las medidas efectuadas en el gas portador, según el algoritmo:In accordance with the objective of this invention, said recognition system identifies the measures carried out in the carrier gas, according to the algorithm:

--
obtención de un vector de variación de conductancias para la pluralidad de sensores que integran el sistema.obtaining a conductance variation vector for the plurality of sensors that integrate the system.

--
autoescalado del vector con las medias y varianzas utilizadas para autoescalar la matriz de aprendizaje obtenida a partir de los patrones o gases calibrados.self climbing vector with the means and variances used to autoscale the learning matrix obtained from patterns or gases calibrated

--
proyección del vector autoescalado sobre el espacio de los componentes principales extraídos a partir de la matriz de aprendizaje obtenida con los medios de calibración.projection of autoscaled vector on the space of the main components extracted from the learning matrix obtained with the calibration means

--
En función de la posición ocupada por dicho vector, el sistema identifica un tipo de respuesta.In function of the position occupied by said vector, the system identifies a type of answer.

Preferiblemente, el tipo de respuesta identificada por el sistema comprende las respuestas de gas portador puro, gas portador contaminado en nivel de alerta de por lo menos un contaminante y gas portador contaminado en nivel de alarma de por lo menos un contaminante.Preferably, the type of response identified by the system includes carrier gas responses pure, contaminated carrier gas at alert level of at least one pollutant and carrier gas contaminated at alarm level so Less a pollutant.

Ventajosamente, el sistema se caracteriza por el hecho de que dichos medios de procesado y control comprenden un microprocesador que corrige las derivas temporales de las respuestas de los sensores y controla y procesa los datos que permiten detectar la presencia de gases reductores y/o oxidantes a diferentes niveles preestablecidos.Advantageously, the system is characterized by the fact that said processing and control means comprise a microprocessor that corrects the temporal drifts of the responses of the sensors and controls and processes the data that allow to detect the presence of reducing and / or oxidizing gases at different levels Preset

Preferiblemente, dichos medios de conexión comprenden una pluralidad de electroválvulas y tubos de conexión para permitir que el gas portador o gases calibrados fluyan a través de la cámara que contiene los sensores.Preferably, said connection means they comprise a plurality of solenoid valves and connecting tubes to allow carrier gas or calibrated gases to flow through of the camera containing the sensors.

Según una realización preferida de la invención, el gas portador es dióxido de carbono.According to a preferred embodiment of the invention, The carrier gas is carbon dioxide.

De acuerdo con la invención se propone la utilización de un sensor de gases basado en óxidos metálicos de tipo semiconductor para la detección de gases reductores y oxidantes presentes en un gas portador, en ausencia de oxígeno.According to the invention, the use of a gas sensor based on metal oxides of type semiconductor for the detection of reducing and oxidizing gases present in a carrier gas, in the absence of oxygen.

La ausencia de oxígeno en el gas portador se refiere a valores de oxígeno en dicho gas, no superiores a 30 ppm de oxígeno.The absence of oxygen in the carrier gas is refers to oxygen values in said gas, not exceeding 30 ppm of oxygen.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.For greater understanding of how much has been exposed some drawings are accompanied in which, schematically and only to non-limiting example title, a case study of realization.

En dichos dibujos,In these drawings,

La figura 1 muestra la respuesta de dos sensores basados en óxidos de estaño, a 15 ppm de metano diluido en dióxido de carbono (figura 1a) y 1 ppm de dióxido de azufre diluido en dióxido de carbono (figura 1b).Figure 1 shows the response of two sensors based on tin oxides, at 15 ppm of methane diluted in dioxide of carbon (Figure 1a) and 1 ppm of sulfur dioxide diluted in carbon dioxide (figure 1b).

La figura 2 muestra un diagrama de bloques de funcionamiento del sistema analizador.Figure 2 shows a block diagram of operation of the analyzer system.

La figura 3 muestra un diagrama o espacio de los componentes principales con zonas o áreas de decisión delimitadas para el dióxido de carbono puro, el dióxido de carbono en nivel de alerta y el dióxido de carbono en nivel de alarma.Figure 3 shows a diagram or space of the main components with delimited areas or decision areas for pure carbon dioxide, carbon dioxide at the level of Alert and carbon dioxide at alarm level.

La figura 4 muestra un diagrama o espacio de los componentes principales en el que se han proyectado tres medidas efectuadas en el dióxido de carbono, correspondientes a los tres vectores I_{1}, I_{2} y I_{3}.Figure 4 shows a diagram or space of the main components in which three measures have been projected made in carbon dioxide, corresponding to the three vectors I1, I2 and I3.

Descripción de una realización preferidaDescription of a preferred embodiment

Las figuras 1a y 1b muestran la respuesta de dos sensores de gases basado en óxido de estaño (semiconductor de tipo n), a la presencia de trazas de metano y de dióxido de azufre, respectivamente, diluidas en dióxido de carbono.Figures 1a and 1b show the answer of two gas sensors based on tin oxide (semiconductor type n), in the presence of traces of methane and sulfur dioxide, respectively, diluted in carbon dioxide.

Los sensores de gases basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor de la presente invención detectan gases oxidantes y reductores en una corriente continua de dióxido de carbono, en ausencia de oxígeno. Esto es, a una concentración de oxígeno en el dióxido de carbono a niveles no superiores a 30 ppm de oxígeno.Gas sensors based on metal oxides semiconductor type of the present invention detect gases oxidizers and reducers in a continuous stream of dioxide carbon, in the absence of oxygen. That is, at a concentration of oxygen in carbon dioxide at levels not exceeding 30 ppm of oxygen.

La figura 1a de la presente invención muestra la respuesta 1 de un sensor, basado en óxido de estaño (semiconductor de tipo n), a 15 ppm de metano diluido en dióxido de carbono, así como la resistencia 2 base del mismo sensor cuando se encuentra en situación de equilibrio con el dióxido de carbono. La presencia del gas reductor conduce a un decremento de la resistencia del sensor 2. Este efecto es reversible puesto que el sensor puede recuperar su resistencia base 2 si se elimina el gas reductor, en este caso el metano, y se vuelve a exponer al dióxido de carbono. La figura 1b de la presente invención muestra la respuesta 3 de otro sensor basado en óxido de estaño (semiconductor de tipo n) a 1 ppm de dióxido de azufre diluido en dióxido de carbono, así como la resistencia base 4 del mismo sensor cuando se encuentra en situación de equilibrio con el dióxido de carbono. En este caso, la presencia de un gas oxidante conduce a un incremento de la resistencia 4 del sensor. Este efecto vuelve a ser reversible.Figure 1a of the present invention shows the 1 response of a sensor, based on tin oxide (semiconductor of type n), at 15 ppm of methane diluted in carbon dioxide, as well as the resistance 2 base of the same sensor when it is in equilibrium situation with carbon dioxide. The presence of reducing gas leads to a decrease in sensor resistance 2. This effect is reversible since the sensor can recover its base resistance 2 if reducing gas is eliminated, in this case the methane, and is exposed to carbon dioxide again. Figure 1b of The present invention shows the response 3 of another sensor based in tin oxide (type n semiconductor) at 1 ppm of sulfur diluted in carbon dioxide, as well as the base resistance 4 of the same sensor when it is in equilibrium situation with carbon dioxide. In this case, the presence of an oxidizing gas leads to an increase in resistance 4 of the sensor. This effect It is reversible again.

Se ha observado que el dióxido de carbono interactúa reversiblemente con la superficie del óxido metálico, actuando de forma parecida a como lo hace el oxígeno en la detección de trazas de contaminantes (gases reductores y oxidantes).It has been observed that carbon dioxide interacts reversibly with the surface of the metal oxide, acting in a similar way as oxygen does in detection of traces of pollutants (reducing and oxidizing gases).

Los sensores de gases en general y los sensores basados en óxidos metálicos en particular, son poco selectivos. Esto implica que todos los sensores presentan respuestas diferentes, pero no nulas, a los gases contaminantes. Por lo tanto, es necesario utilizar una matriz de varios sensores basados en óxidos metálicos, con sensibilidades parcialmente solapadas, para poder identificar los diferentes gases contaminantes en el dióxido de carbono.Gas sensors in general and sensors based on metal oxides in particular, they are poorly selective. This It implies that all sensors have different responses, but not zero, to the polluting gases. Therefore it is necessary use a matrix of several sensors based on metal oxides, with partially overlapping sensitivities, in order to identify the different polluting gases in carbon dioxide.

La figura 2 de la presente invención muestra un diagrama de bloques que facilita la comprensión del funcionamiento del sistema analizador. Dicho sistema consta de una cámara de medida, de acero inoxidable, que contiene siete sensores 23 basados en óxidos metálicos, dotados con diferentes metales nobles, catalíticamente activos. El número de sensores guarda relación con el número de gases contaminantes que deben ser detectados en el gas portador 21 o dióxido de carbono, cuya calidad se quiera evaluar. En el ejemplo que nos ocupa los sensores se han elegido para la detección de gases como el metano, propano, butano, hexano y otros compuestos orgánicos, como el etileno. El sistema comprende medios de conexión 22 del dióxido de carbono 21 a la cámara de medida que contiene los sensores 23. Se trata de un número variable de electroválvulas y de tubos de conexión, en acero inoxidable, para permitir que el gas cuya calidad se quiere evaluar, o bien, diferentes gases calibrados 26 o patrones de calibración, puedan fluir a través de la cámara donde se encuentran los sensores 23. El flujo de los gases se debe fijar a un valor constante, preferiblemente de 100 ml/min.Figure 2 of the present invention shows a block diagram that facilitates understanding of operation of the analyzer system. Said system consists of a camera of measure, stainless steel, containing seven 23 based sensors in metal oxides, equipped with different noble metals, catalytically active. The number of sensors is related to the number of pollutant gases that must be detected in the gas carrier 21 or carbon dioxide, whose quality you want to evaluate. In the example that concerns us the sensors have been chosen for the gas detection such as methane, propane, butane, hexane and others organic compounds, such as ethylene. The system comprises means of connection 22 of carbon dioxide 21 to the measuring chamber that it contains the sensors 23. It is a variable number of solenoid valves and connecting pipes, in stainless steel, for allow the gas whose quality you want to evaluate, or 26 different calibrated gases or calibration standards, can flow through the chamber where the sensors are located 23. The Gas flow should be set at a constant value, preferably 100 ml / min.

La lectura de la resistencia de los sensores se realiza mediante un semi-puente de resistencias, donde una resistencia es el propio sensor (Rs) y la otra es una resistencia fija de valor apropiado (Rm). Se aplica una tensión conocida (Vc) a ambas resistencias conectadas en serie y se mide la tensión en el punto intermedio (Vm). Esta tensión se convierte de tensión analógica a digital, mediante un conversor analógico-digital A/D.The resistance reading of the sensors is carried out by means of a semi-resistance bridge, where one resistance is the sensor itself ( Rs ) and the other is a fixed resistance of appropriate value ( Rm ). A known voltage ( Vc ) is applied to both resistors connected in series and the voltage at the intermediate point ( Vm ) is measured. This voltage is converted from analog to digital voltage, using an analog-to-digital A / D converter.

El calentamiento de los sensores se lleva a cabo mediante circuitos electrónicos que permiten calentar los sensores hasta su temperatura óptima de funcionamiento (entre 300 y 400ºC).The heating of the sensors is carried out through electronic circuits that allow sensors to be heated up to its optimum operating temperature (between 300 and 400 ° C).

Un programa llevado a cabo por un microprocesador 24 se encarga de realizar las funciones siguientes:A program carried out by a microprocessor 24 is responsible for performing the following functions:

a) Control de las electroválvulas tanto durante la fase de medida normal como durante la fase de calibración del equipo.a) Control of solenoid valves both during the normal measurement phase as during the calibration phase of the equipment.

b) Control del proceso de adquisición de las tensiones Vm y su conversión A/D.b) Control of the acquisition process of the Vm voltages and their A / D conversion.

c) Obtención de la tensión Vm para cada sensor de la agrupación, una vez por segundo, y calculo del valor promedio de las Vm a lo largo de un minuto. Por lo tanto, para cada sensor, los valores promedio de Vm se van calculando en base a las últimas sesenta medidas realizadas.c) Obtaining the voltage Vm for each sensor in the cluster, once per second, and calculating the average value of the Vm over a minute. Therefore, for each sensor, the average Vm values are calculated based on the last sixty measurements performed.

d) Obtención de las resistencias para cada uno de los sensores de la agrupación, utilizando los valores promedio de las Vm. Así, para el sensor i-ésimo de la agrupación, conociendo el valor promedio Vm_{i}, su resistencia R_{i} se obtiene mediante el cálculo:d) Obtaining the resistors for each of the sensors in the cluster, using the average values of the Vm . Thus, for the ith sensor of the grouping, knowing the average value Vm_ {i}, its resistance R_ {i} is obtained through the calculation:

R_{i}=VcR_{m}/(Vc-Vm_{i})R_ {i} = VcR_ {m} / (Vc-Vm_ {i})

e) Cálculo de las variaciones de conductancia, una vez calculados los valores de las resistencias de los sensores. Para el sensor i-ésimo, su variación de conductancia \DeltaG_{i} se define mediante la expresión: \DeltaG_{i} = 1/ R_{i} - 1/R_{oi}, donde R_{oi} es la resistencia del sensor en presencia del gas analizado puro o resistencia de base del sensor i-ésimo.e) Calculation of the conductance variations, once the resistance values of the sensors have been calculated. For the ith sensor, its conductance variation ΔG_ {i} is defined by the expression: ΔG_ {i} = 1 / R_ {i} - 1 / R_ {oi}, where R_ {oi} is the resistance of the sensor in the presence of the pure analyzed gas or base resistance of the ith sensor.

f) Obtención del vector de variación de conductancia para cada medida; vector I = (\DeltaG_{1}, ..., \DeltaG_{n}), donde n es el número de sensores que integran la agrupación. Dicho vector, constituye la información de entrada para un algoritmo de reconocimiento que se encarga de evaluar la calidad del gas que está siendo analizado.f) Obtaining the conductance variation vector for each measure; vector I = (\ DeltaG_ {1}, ..., \ DeltaG_ {n}), where n is the number of sensors that make up the cluster. Said vector constitutes the input information for a recognition algorithm that is responsible for evaluating the quality of the gas being analyzed.

g) Descarga periódica de la información generada por el sistema analizador en una dirección de Internet. Si se detectan niveles de algún contaminante por encima de valores prefijados, el sistema puede enviar mensajes de alerta y/o alarma a teléfonos móviles.g) Periodic download of the information generated by the analyzer system at an Internet address. Whether detect levels of some contaminant above values By default, the system can send alert and / or alarm messages to mobile phones.

El sistema analizador que se describe comprende un sistema de reconocimiento 24 de datos basado en un proceso de aprendizaje que realiza medidas utilizando un conjunto de patrones o gases calibrados 26. La respuesta del sistema de reconocimiento 24 será una de las tres siguientes:The analyzer system described comprises a data recognition system 24 based on a process of learning that takes measurements using a set of patterns or calibrated gases 26. The response of the recognition system 24 It will be one of the following three:

a)to)
Identificado dióxido de carbono puro.Identified pure carbon dioxide

b)b)
Identificado dióxido de carbono contaminado, concentración en nivel de alerta. El(los) contaminantes(s) es(son): lista de contaminantes.Identified polluted carbon dioxide, concentration in alert level. The pollutant (s) is (are): list of pollutants

c)C)
Identificado dióxido de carbono contaminado, concentración en nivel de alarma. El(los) contaminantes(s) es(son): lista de contaminantes.Identified polluted carbon dioxide, concentration in alarm level. The pollutant (s) is (are): list of pollutants

El proceso de aprendizaje consiste en realizar medidas utilizando un conjunto de patrones o gases calibrados 26. Los patrones consisten en dióxido de carbono puro y en dióxido de carbono contaminado. Se utilizan dos patrones calibrados para cada contaminante considerado: un patrón con el contaminante diluido a la concentración de alerta en dióxido de carbono y el otro diluido a la concentración de alarma. Finalmente, también se emplean patrones con mezclas binarias de contaminantes. Cada medida se repite un mínimo de tres veces para conseguir un conjunto de medidas representativo. Dicho proceso de aprendizaje posibilita la obtención de una matriz de aprendizaje, A, resultante de agrupar los vectores de variación de conductancias obtenidos como respuesta a las medidas de aprendizaje descritas más arriba. La dimensión de A es m\timesn, dónde m (filas) es el número de medidas de aprendizaje y n (columnas) es el número de sensores que integran la agrupación. Así, cada una de las filas de A se corresponde a una de las medidas de aprendizaje, y cada una de las columnas de A contiene las variaciones de conductancia experimentadas por un sensor de la agrupación.The learning process consists of taking measurements using a set of calibrated standards or gases 26. The patterns consist of pure carbon dioxide and contaminated carbon dioxide. Two calibrated standards are used for each contaminant considered: one standard with the contaminant diluted to the alert concentration in carbon dioxide and the other diluted to the alarm concentration. Finally, standards with binary mixtures of contaminants are also used. Each measure is repeated a minimum of three times to achieve a representative set of measures. Said learning process makes it possible to obtain a learning matrix, A , resulting from grouping the vectors of variation of conductance obtained in response to the learning measures described above. The dimension of A is m \ timesn , where m (rows) is the number of learning measures and n (columns) is the number of sensors that make up the grouping. Thus, each of the rows of A corresponds to one of the learning measures, and each of the columns of A contains the conductance variations experienced by a cluster sensor.

La matriz A es normalizada mediante una operación de autoescalado. Esta operación se realiza por columnas. Se obtienen la media y la desviación estándar de cada columna. Si M_{i} y D_{i} son respectivamente la media y la desviación estándar de la columna i, entonces el nuevo valor de cualquier elemento de dicha columna se calcula como nuevo mediante e_{ki} = (e_{ki} - M_{i})/D_{i}, donde e_{ki} representa al elemento de la fila k, columna i en la matriz A. Una vez A ha sido autoescalada, se realiza una extracción de componentes principales. El proceso de extracción de componentes principales es una técnica estándar no descrita aquí. Los componentes principales están formados por una combinación lineal de las columnas de la matriz A autoescalada.Matrix A is normalized by an autoscale operation. This operation is performed by columns. The mean and standard deviation of each column are obtained. If M_ {i} and D_ {i} are respectively the mean and standard deviation of column i , then the new value of any element of that column is calculated as new by e_ {ki} = (e_ {ki} - M_ {i}) / D_ {i}, where e_ {ki} represents the element in row k , column i in matrix A. Once A has been self-climbing, an extraction of main components is performed. The main component extraction process is a standard technique not described here. The main components are formed by a linear combination of the columns of the self-climbing matrix A.

El resultado de la extracción de componentes principales realizada sobre un conjunto de medidas con patrones o gases calibrados, es un diagrama 25 de unidades arbitrarias en el que se sitúan dichas medidas. El último paso del proceso de aprendizaje consiste en definir fronteras de decisión entre las zonas de dióxido de carbono puro, dióxido contaminado en nivel de alerta y dióxido contaminado en nivel de alarma.The result of component extraction main performed on a set of measures with patterns or calibrated gases, is a diagram 25 of arbitrary units in the that these measures are located. The last step of the process learning consists in defining decision boundaries between areas of pure carbon dioxide, contaminated dioxide at the level of Alert and contaminated dioxide at alarm level.

La figura 3 muestra un diagrama 25 con zonas o áreas de decisión delimitadas para el dióxido de carbono puro, el dióxido de carbono en nivel de alerta y el dióxido de carbono en nivel de alarma. Dicho diagrama 25 se ha obtenido con el proceso de aprendizaje utilizando las medidas con los gases calibrados o patrones 26. La referencia 00 corresponde a una medida con dióxido de carbono puro, mientras que las referencias 01, 02, 03, 04, 05, 06, 14 y 32, corresponden a medidas de dióxido de carbono con distintos tipos o mezclas de contaminantes.Figure 3 shows a diagram 25 with zones or decision areas delimited for pure carbon dioxide, the carbon dioxide at alert level and carbon dioxide at alarm level Said diagram 25 has been obtained with the process of learning using the measurements with the calibrated gases or standards 26. Reference 00 corresponds to a measurement with dioxide of pure carbon, while references 01, 02, 03, 04, 05, 06, 14 and 32, correspond to carbon dioxide measurements with different types or mixtures of contaminants.

En la figura 3:In figure 3:

00: CO2 puro00: pure CO2

01: CO2 + 10 ppm etileno01: CO2 + 10 ppm ethylene

02: CO2 + 20 ppm etileno02: CO2 + 20 ppm ethylene

03: CO2 + 30 ppm metano03: CO2 + 30 ppm methane

04: CO2 + 15 ppm metano04: CO2 + 15 ppm methane

05: CO2 + 0,5 ppm dióxido de azufre05: CO2 + 0.5 ppm dioxide sulfur

06: CO2 + 1 ppm dióxido de azufre06: CO2 + 1 ppm dioxide sulfur

14: CO2 + 10 ppm etileno + 15 ppm metano14: CO2 + 10 ppm ethylene + 15 ppm methane

32: CO2 + 20 ppm etileno + 30 ppm metano32: CO2 + 20 ppm ethylene + 30 ppm methane

En dicho diagrama 25 se puede apreciar como el dióxido de carbono puro se diferencia claramente del dióxido de carbono contaminado. También se aprecian los diferentes tipos de contaminación, puesto que las medidas de un mismo tipo, por ejemplo dióxido de carbono puro, aparecen agrupadas en el espacio de los dos primeros componentes principales y las medidas de dióxido de carbono afectado por diferentes contaminantes, ocupan posiciones diferentes en el espacio de los dos primeros componentes principales.In said diagram 25 it can be seen as the pure carbon dioxide clearly differs from the dioxide of polluted carbon The different types of pollution, since measures of the same type, for example pure carbon dioxide, they appear grouped in the space of the two first major components and carbon dioxide measurements affected by different pollutants, occupy different positions in the space of the first two main components.

El sistema de reconocimiento 24 de datos descrito identifica las medidas efectuadas en el gas portador 21, en este caso el dióxido de carbono, según el algoritmo:The data recognition system 24 described identifies the measurements made on carrier gas 21, in this Carbon dioxide case, according to the algorithm:

a)to)
Obtención de un nuevo vector de variación de conductancias o nueva medida que es necesario identificar.Obtaining a new conductance variation vector or new measure that is necessary to identify.

b)b)
Autoescalado del vector, utilizando las medias y varianzas que se usaron para autoescalar la matriz de aprendizaje A.Autoscale the vector, using the means and variances that were used to autoscale the learning matrix A.

c)C)
Proyección del vector autoescalado sobre el espacio de los componentes principales.Projection of autoscaled vector on component space main.

d)d)
En función de la posición ocupada por dicho vector, el sistema decide qué tipo de salida es la identificada.In function of the position occupied by said vector, the system decides what kind of output is the one identified.

La figura 4 muestra un diagrama o espacio 25 de los componentes principales en el que se han proyectado tres medidas, correspondientes a los tres vectores I_{1}, I_{2} y I_{3}. Estas medidas deben ser identificadas por el sistema de reconocimiento 24. Dada la posición que ocupa la proyección I_{1}, se concluye que dicha medida pertenece a dióxido de carbono puro. La posición de I_{2} es muy cercana a la de las medidas de calibración con metano, se concluye que dicha medida se corresponde a un nivel de alerta por contaminación de metano en el dióxido de carbono. La posición de I_{3} es muy cercana a la de las medidas de calibración con metano y etileno, se concluye que dicha medida se corresponde a un nivel de alarma por contaminación de metano y etileno en el dióxido de carbono.Figure 4 shows a diagram or space 25 of the main components in which three have been projected measures, corresponding to the three vectors I1, I2 and I_ {3}. These measures must be identified by the system of recognition 24. Given the position occupied by the projection I_ {1}, it is concluded that said measure belongs to pure carbon dioxide. The position of I_ {2} is very close to that of the measures of methane calibration, it is concluded that this measure corresponds at an alert level for methane contamination in the dioxide of carbon. The position of I_ {3} is very close to that of the measures calibration with methane and ethylene, it is concluded that this measure is corresponds to an alarm level for methane contamination and ethylene in carbon dioxide.

Los sensores 23 de gases sufren derivas temporales en su respuesta. Estas derivas son asociables a procesos de envejecimiento del material activo. Por lo tanto, para mantener un buen funcionamiento del sistema analizador a lo largo del tiempo, es necesario realizar calibraciones de forma periódica. El sistema hace estas calibraciones de forma automatizada y transparente para el usuario/operario. Con una periodicidad prefijada, por ejemplo cada veinticuatro horas, el sistema entra en modo autocalibración. En este modo se realizan los pasos siguientes:Gas sensors 23 suffer drifts Temporary in your response. These drifts are associable to processes of aging of the active material. Therefore to keep smooth operation of the analyzer system over time, It is necessary to perform calibrations periodically. The system makes these calibrations in an automated and transparent way to the user / operator. With a predetermined periodicity, for example Every twenty-four hours, the system enters autocalibration mode. In this mode the following steps are performed:

a)to)
Realización de una medida con cada uno de los patrones calibrados: dióxido de carbono puro, dióxido de carbono con nivel de alarma de contaminante 1, dióxido de carbono con nivel de alarma de contaminante p. Donde p es el número de contaminantes que se detectan en el dióxido de carbono.Performing a measurement with each of the calibrated standards: pure carbon dioxide, carbon dioxide with contaminant alarm level 1, carbon dioxide with contaminant alarm level p . Where p is the number of contaminants that are detected in carbon dioxide.

b)b)
Autoescalado y proyección de las medidas de calibración sobre el espacio 25 de los componentes principales.Autoscaling and projection of calibration measures over space 25 of the main components.

c)C)
Cómputo de las distancias de cada una de las medidas de calibración al centroide de la clase a la que pertenecen. Si dicha distancia supera una cierta cota prefijada, se recalculan nuevas fronteras de decisión teniendo en cuenta la información aportada por las medidas de calibración.Computation of the distances of each of the calibration measurements to the centroid of the class they belong to. If this distance exceeds a certain preset level, new decision boundaries are recalculated taking take into account the information provided by the measures of calibration.

Una vez finalizado el proceso de autocalibración, el equipo queda listo para proseguir con el análisis en tiempo real de la calidad del dióxido de carbono o gas portador.Once the self-calibration process is finished, the team is ready to continue with the analysis in real time of the quality of carbon dioxide or carrier gas.

A pesar de que se ha descrito y representado una realización concreta de la presente invención, es evidente que el experto en la materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.Although it has been described and represented a concrete embodiment of the present invention, it is evident that the subject matter expert may introduce variants and modifications, or replace the details with technically equivalent ones, without depart from the scope of protection defined by the claims attached.

Claims (9)

1. Sistema analizador para la detección de gases reductores y oxidantes en un gas portador 21, que comprende una pluralidad de medios de detección 23, medios de calibración 26 y medios de procesado y control 24 de la adquisición y reconocimiento de datos, caracterizado por el hecho de que dichos medios de detección de gases son sensores 23 basados en óxidos metálicos de tipo semiconductor que trabajan en ausencia de oxígeno, por el hecho de que dicho sistema comprende medios de conexión 22 de dicho gas portador 21 a una cámara de medida que contiene dichos sensores 23, y además, por el hecho de que dichos medios de procesado y control 24 comprenden un sistema de reconocimiento de dichos gases en tiempo real, que proporciona un diagrama 25 con zonas de decisión delimitadas, en el que se sitúan e identifican las medidas efectuadas en dicho gas portador 21.1. Analyzer system for the detection of reducing and oxidizing gases in a carrier gas 21, comprising a plurality of detection means 23, calibration means 26 and processing and control means 24 of data acquisition and recognition, characterized by the the fact that said gas detection means are sensors 23 based on semiconductor metal oxides that work in the absence of oxygen, due to the fact that said system comprises connection means 22 of said carrier gas 21 to a measuring chamber containing said sensors 23, and in addition, by the fact that said processing and control means 24 comprise a real-time recognition system of said gases, which provides a diagram 25 with delimited decision zones, in which the sensors are located and identified. measurements carried out on said carrier gas 21. 2. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que dichos medios de calibración comprenden una pluralidad de patrones o gases calibrados 26, por lo menos igual al número de gases reductores y oxidantes que deben ser detectados en el gas portador 21, y por el hecho de que la respuesta de la pluralidad de sensores 23 a las medidas de patrones 26 comprende la obtención de un vector de variación de conductancia para cada gas calibrado o patrón 26.2. System according to claim 1 characterized in that said calibration means comprise a plurality of calibrated standards or gases 26, at least equal to the number of reducing and oxidizing gases that must be detected in the carrier gas 21, and by the fact that the response of the plurality of sensors 23 to the measurements of standards 26 comprises obtaining a conductance variation vector for each calibrated gas or standard 26. 3. Sistema según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el hecho de que dicho sistema de reconocimiento comprende la obtención de una matriz de aprendizaje resultante de agrupar los vectores de variación de conductancia de las medidas efectuadas con la pluralidad de patrones o gases calibrados 26.3. System according to claims 1 and 2, characterized in that said recognition system comprises obtaining a learning matrix resulting from grouping the conductance variation vectors of the measurements made with the plurality of calibrated standards or gases 26 . 4. Sistema según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que dicho sistema de reconocimiento identifica las medidas efectuadas en el gas portador 21, según el algoritmo:4. System according to claim 3, characterized in that said recognition system identifies the measurements made on the carrier gas 21, according to the algorithm:
--
obtención de un vector de variación de conductancias para la pluralidad de sensores 23 que integran el sistema.obtaining a conductance variation vector for the plurality of 23 sensors that integrate the system.
--
autoescalado del vector con las medias y varianzas utilizadas para autoescalar la matriz de aprendizaje obtenida a partir de los patrones o gases calibrados 26.self climbing vector with the means and variances used to autoscale the learning matrix obtained from patterns or gases calibrated 26.
--
proyección del vector autoescalado sobre el espacio 25 de los componentes principales extraídos a partir de la matriz de aprendizaje obtenida con los medios de calibración 26.projection of autoscaled vector on the space 25 of the components main extracted from the learning matrix obtained with calibration means 26.
--
En función de la posición ocupada por dicho vector, el sistema identifica un tipo de respuesta.In function of the position occupied by said vector, the system identifies a type of answer.
5. Sistema según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el tipo de respuesta identificada por el sistema comprende las respuestas de gas portador puro, gas portador contaminado en nivel de alerta de por lo menos un contaminante y gas portador contaminado en nivel de alarma de por lo menos un contaminante.5. System according to claim 4, characterized in that the type of response identified by the system comprises the responses of pure carrier gas, contaminated carrier gas at the alert level of at least one contaminant and contaminated carrier gas at the level of alarm of at least one contaminant. 6. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos medios de procesado y control 24 comprenden un microprocesador que corrige las derivas temporales de las respuestas de los sensores 23 y controla y procesa los datos que permiten detectar la presencia de gases reductores y/o oxidantes a diferentes niveles preestablecidos.System according to claim 1, characterized in that said processing and control means 24 comprise a microprocessor that corrects the temporal drifts of the responses of the sensors 23 and controls and processes the data that allow the presence of reducing gases to be detected. and / or oxidants at different preset levels. 7. Sistema analizador según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el hecho de que dichos medios de conexión 22 comprenden una pluralidad de electroválvulas y tubos de conexión para permitir que el gas portador 21 o gases calibrados 26 fluyan a través de la cámara que contiene los sensores 23.7. Analyzer system according to claims 1 and 2, characterized in that said connecting means 22 comprise a plurality of solenoid valves and connecting tubes to allow carrier gas 21 or calibrated gases 26 to flow through the chamber containing the sensors 23. 8. Sistema analizador según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el gas portador 21 es dióxido de carbono.8. Analyzer system according to claim 1, characterized in that the carrier gas 21 is carbon dioxide. 9. Utilización de un sensor 23 de gases basado en óxidos metálicos de tipo semiconductor para la detección de gases reductores y oxidantes presentes en un gas portador 21, en ausencia de oxígeno.9. Use of a gas sensor 23 based on semiconductor type metal oxides for gas detection reducers and oxidants present in a carrier gas 21, in the absence of oxygen
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